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华中农业大学近期科学研究进展

华中农业大学

2021-8-19 13:48:44 文/梁梓涵图/陈雅婷

揭示芥菜型油菜BjCLV1基因调控产量相关性状的新机制

7月14日，PlantBiotechnology Journal在线发表了华中农业大学傅廷栋院士领衔的油菜杂种优势利用课题组题为“Increased seed number per silique in Brassica junceaby deleting cis-regulatory region affecting BjCLV1expression in carpel margin meristem”的研究论文。该研究发现芥菜型油菜BjCLV1通过调控心皮边缘分生组织稳态功能促进了多室角果形成。

据研究人员介绍，提高产量是油菜遗传改良的永恒目标。油菜角果性状可以直接影响油菜的产量，主要是因为角果在发育成熟时期，既作为“库”的重要储存器官，又作为“源”的重要光合器官。因此，改良角果性状是油菜高产育种中较为关键的一个环节。多室角果油菜由于其每角果粒数显著多于普通两室材料，具有潜在的增产效益受到很多研究者的关注。

研究人员发现，普通油菜的成熟角果是由2个角果皮组成，角果开裂后，其内部可见1个“I”型假隔膜把角果隔成2个果室，每个果室都有1排籽粒；而三室油菜的成熟角果是由4个角果皮组成，角果内部是由1个“II”型假隔膜隔成3个果室，中间的大果室含有2排籽粒，两边小果室各含有1排籽粒。三室角果的每角粒数较两室角果显著增多，具有潜在的增产效果。

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在全生育期比较这两种油菜的表型差异，发现仅在花发育第5期（即心皮原基占据花分生组织）时，2个心皮原基的融合部位含有一个分生组织特性的组织，心皮边缘分生组织（CMM），三室油菜的雌蕊CMM较两室油菜膨大；随后，含有膨大CMM的雌蕊发育形成三室角果。与CMM相比，其他分生组织未见差异。

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图位克隆到控制三室角果性状的2个隐性核基因中的另一个基因mc2，是一个拟南芥CLV1同源基因BjA7.CLV1。BjA7.CLV1的启动子调控区域含有一段914-bp缺失序列，该缺失序列不改变BjA7.CLV1蛋白的结构和功能，仅使BjA7.CLV1在雌蕊子房中的表达量下降。这些结果和三室角果的表型结果吻合。

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转基因互补验证必须含有全长启动子的BjA7.CLV1基因才能恢复两室角果表型，而启动子不含有这段914-bp缺失序列的BjA7.CLV1基因不能够恢复两室角果表型。表明914-bp缺失序列中含有调控BjA7.CLV1在CMM中特异表达的顺式调控元件。

通过对十字花科物种中CLV1同源基因的启动子区域进行共线性分析，发现 mc2启动子的914-bp缺失序列在这些同源基因的启动子区域十分保守。而且，启动子仅缺失这段共线性保守序列的BjB3.CLV1基因也仅影响该基因在维持CMM稳态的功能。

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该研究的主要创新点在于通过表型证据和分子生物学证据解释了J163-4的表型不同于其他多室油菜的原因，主要由于mc2的突变形式与其他报道的多室基因不一样，提出了一种十字花科作物产量相关性状改良的新思路，可以在不改变CLV1同源基因编码蛋白功能的前提下，通过对这段保守顺式调控序列进行精准编辑，起到仅微调CMM的发育，使其形成含有更多的籽粒的多室角果。

华中农业大学植物科学技术学院博士研究生王刚为该论文的第一作者，沈金雄教授为论文的通讯作者。

论文链接：

https://onlinelibrary.网址未加载/doi/10.1111/pbi.13664

通过基因编辑技术获得对两种真菌病害具有高抗性的作物

近日，华中农业大学科研团队通过基因编辑技术获得了对两种真菌病害具有高抗性的作物。相关研究以“Editing homologous copies of an essential gene affords crop resistance against two cosmopolitan necrotrophic pathogens（一石二鸟：编辑一个植物基因，防控两种真菌病害）”为题，在线发表在Plant Biotechnology Journal。

在农田环境中，作物往往同时应对多种病原菌的侵染，创制能够抵御多种病原物的品种将显著提高作物的生产效益和生态效益。该研究利用CRISPR/Cas9技术对油菜中核盘菌效应蛋白的靶标基因BnQCR8进行编辑，获得了对菌核病和灰霉病抗性均显著增强的油菜植株。核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）和灰葡萄孢（Botrytis cinerea）是典型的死体营养型病原真菌，可分别侵染700和3000多种植物，包括十字花科、茄科、菊科和豆科等科的重要经济作物，引起菌核病和灰霉病，造成巨大的经济损失。但生产上缺乏高抗菌核病和灰霉病的品种，也没有同时抗两种病害的品种可供利用。

QCR8是呼吸链上细胞色素b-c1复合物的一个保守亚基，研究发现QCR8是核盘菌效应蛋白SsSSVP1及其灰葡萄孢同源蛋白BcSSVP1在植物中的靶标蛋白。在油菜中存在8个同源拷贝的QCR8，利用CRISPR/Cas9技术将油菜中8个同源拷贝进行编辑，分别获得不同基因型的BnQCR8突变体。核盘菌和灰葡萄孢在BnQCR8突变体（WCR1、WCR2、WCR3、WCR4和WCR5）上形成的病斑面积均显著小于野生型Westar上的病斑面积。此外，被编辑的BnQCR8基因拷贝数越多，突变体的抗病能力越强，即突变体株系对核盘菌的抗性与突变体中BnQCR8基因被编辑的数量呈正相关，表明编辑BnQCR8基因显著提高了油菜对菌核病（图1 a，c）和灰霉病（图1 b，d）的抗性。编辑BnQCR8基因后，对油菜的角果、种子数量、单株产量、千粒重及种子含油量等没有显著性差异影响（图c），表明编辑BnQCR8基因在抗病分子育种中具有重要的实践应用价值。

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▲T2代BnQCR8突变体对菌核病和灰霉病的抗性（a和b）及成株期表型（c）

该研究从病原菌致病基因为出发点，筛选作物中靶标基因，通过基因编辑培育抗病新品种，为提高植物广谱抗病能力提供了新的研究思路。由于QCR8基因广泛存在植物之中，编辑其它作物的该基因也极有可能获得抗病材料，该研究为创制高抗菌核病和灰霉病的作物品种提供了重要的基因资源。

华中农业大学农业微生物学国家重点实验室、湖北省作物病害监测和安全控制重点实验室、植物科学技术学院博士研究生张学坤为论文第一作者，姜道宏教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://onlinelibrary.网址未加载/doi/abs/10.1111/pbi.13667

揭示共轭微孔聚合物选择性产生活性氧物种促进光合成反应的调控机制

近日，华中农业大学理学院“先进材料与绿色催化”团队汪圣尧教授和“先进手性合成”团队滕怀龙教授合作，设计了系列新型共轭微孔聚合物（CMPs）材料，基于分子水平上的材料结构设计对材料进行共轭度调控，实现了材料活性氧物种的选择性产生，定向驱动了高效的有机光合成反应，揭示了共轭微孔聚合物选择性产生活性氧物种促进光合成反应的调控机制。相关研究成果发表在国际学术期刊Science Bulletin上。

催化有机合成氧化还原反应是人类获取新化合物的重要途径之一。目前，空气中的分子氧是最容易获得也是最为清洁的氧化剂，但由于自旋禁阻的限制，氧气不能在温和环境条件下直接参与绝大多数有机化合物的氧化还原反应。

基于分子氧活化途径产生的活性氧物种可以有效克服分子氧的自旋禁阻，定向调控分子氧活化过程及活性氧物种可驱动高效的有机氧化还原反应，活性氧物种也因此被广泛认为是决定氧化还原反应过程和方向的关键因素。特别是在光参与的活化分子氧途径中，大量研究者对基于材料的分子氧活化转化机制以及活性氧物种类型开展了深入的研究和讨论。但迄今为止，人们的注意力主要集中在光活化过程产生的活性氧物种定性与定量监测上，而有关光诱导材料的活性氧定向生成研究却鲜有报道。此外，材料结构与活性氧物种选择性之间的构效关系尚不明确，通过材料结构精确设计来调控活性氧物种极具挑战性。

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▲基于精确设计策略制备的CMPs结构表征

华中农业大学理学院“先进材料与绿色催化”团队和“先进手性合成”团队在前期研究的工作（Nat. Commun. 2020, 11, 1149; Appl. Catal. B-Environ. 2020, 274, 119096）基础上，通过简单的Sonogashira-Hagihara和SuzukiS-Miyura偶联反应调控，设计制备了两种芘基CMPs材料，并以此为模型，研究了精准结构设计策略调控的CMPs共轭度诱导可控分子氧活化过程。通过理论计算、时间分辨光致发光光谱、电子自旋共振波谱分析及自由基猝灭实验验证了CMPs中引入炔基可以作为电子离域桥，从而促进分子内载流子向氧分子的迁移，形成超氧自由基，而消除炔基的CMPs则增强了载流子扩散过程中在材料表面的聚集效应，促进了单线态氧的生成。研究发现，两种CMPs分别在由超氧自由基介导的苄胺氧化脱氢偶联反应和单线态氧介导的硫醚氧化反应中表现出完全不同的催化活性，进一步验证了结构设计策略调控材料共轭度影响下分子氧活化过程。

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